對美國K—12學段“STEM”教育的觀察與思考

楊鳳娟

摘要 對美國“STEM”教育進行了追本溯源，以一名赴美教育考察物理教師的視角，從“S、T、E、M”四個方面闡述了目前美國K-12學段“STEM”教育宏觀集成、微觀分科的實施狀況與突出優勢，通過與我國中小學科學教育現狀的對比，提出了我國中小學科學教育應加大對科學本質教學的關注，加大對工程、技術教育關注的觀點與思考。

關鍵詞 “STEM”教育 科學教育 物理教學

“STEM”是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）英文首字母的縮寫，“STEM”教育是美國的一種教育集成戰略，把原本分散的科學、工程、技術和數學四門學科融合起來形成一個新的整體，旨在促使學生運用學到的各學科知識，探究相互聯系的真實世界。美國K-12學段，相當于我國的小學到高中，美國K-12學段的科學課程包含生命科學、地球和空間科學、物質科學的內容，相當于我國中小學物理、化學、生物三門學科的內容。由于工作的原因，筆者曾赴美教育考察，從物理教學的角度，對美國K-12學段“STEM”教育的實施狀況有一些切實的感受、理解與思考，現成此文與讀者交流、共享。本文從美國“STEM”教育溯源、美國K-12學段“STEM”教育實施特點以及對我國中小學科學教育的啟示三方面加以闡釋。

美國“STEM”教育溯源

“STEM”是一個相對比較新的縮寫方式，2007年之前，常用的縮寫還是“SMET”。早在1986年，美國國家科學委員會（NSB）發表報告：《本科的科學-數學和工程教育》，首次明確提出“科學-數學-工程和技術教育集成”的綱領性建議，“SMET”集成被視為“STEM”教育集成的開端。1996年，美國國家科學基金會（NSF）對美國大學科學、數學、工程和技術教育的十年進展進行回顧和總結，發表了報告《塑造未來：透視科學、數學、工程和技術的本科教育》，報告中提出了大力培養K-12教育系統中“SMET”的師資問題，并提出了學校、地方政府、工商業界和基金會的合作建議。2007年，國家科學基金會（NSF）報告《國家行動計劃：應對美國科學、技術、工程和數學教育系統的緊急需要》，開始將四門學科統稱為“STEM”，四門學科順序的調整反映了一種“傾向于應用”的教育哲學變化。報告中指出：加強國家層面對K-12階段和本科階段“STEM”教育的主導作用，提高“STEM”教師的水平和相應的研究投入。自此，“STEM”教育從本科階段延伸到中小學教育階段。

自2007年至今，美國政府不斷加大對“STEM”教育的關注與投入。對“STEM”教育的政策和資金支持被美國參眾兩院寫入《美國創造機會以有意義地促進技術、教育和科學之卓越法》，后被稱作是《美國競爭法》，美國國家科學院研究委員會和美國州長協會不斷出臺具體的行動策略指導文件，“STEM”教育成為當前美國基礎教育改革的重點。

那么，“STEM”教育在美國K-12學段的實際教學中實施狀況如何呢？

“宏觀集成、微觀分科”的美國k-12學段“STEM”教育——“S、T、E、M” 實施面面觀

美國“STEM”教育是一種宏觀上的教育集成戰略，具體到每一節課，其實并不是四個方面永遠都面面俱到。從科學本身的內在邏輯和人本身的客觀認知規律來說，在每一節課里求集成是不現實的，也是不可能的。所以美國絕大多數學校K-12學段的科學課大多是比較單純的“物理、化學、生物”課，數學課也是獨立上課，也有少數“STEM”高中開設特定的“STEM”課程。但無論哪一節貌似分科的課程，都強烈反映出“STEM”教育集成思想的強勢滲透。作為一名中學物理教師，下面更多借助物理教學的實例，從物理教學這一窗口透視美國“STEM”教育的“S、T、E、M”四個方面。

1.美國的科學教學（“S”教育）非常保護科學知識的“存在生態”

美國的科學教育更想揭示出科學原理在生活中的存在，在科技中的存在，更想引導學生認識到科學存在于真實的現象之中，而不是課本中、習題中。美國的科學課程教師非常注重實驗，科學課上科學教師會設計豐富的實驗，帶領學生到生活與科技中找科學、學科學、用科學。

美國科學教學中實驗意識很強，以至于到了“自覺”使用、習以為常的程度，而且實驗貼近生活，貼近技術和工程。比如講流體動力的成因，教師把彎折成“m”形狀的飲料吸管插入到大水杯中，只吸一下，水就從大水杯源源不斷地到流到下面盤子中。看到水能沿著管子自動地、持續地先流向高處，再流向低處，學生感到非常好奇；之后，教師讓學生自己親自體驗虹吸現象，用膠皮管把一個水箱中的水取出來；進而分析飛機飛行過程中托舉力的原因，物理知識深度觸及到氣壓與空氣流速的關系；然后與學生合作進行龍卷風的實驗模擬，最后引導學生總結出這些現象所共同的動力來源類型——大氣壓力差。飛機在美國的交通中起著非常大的作用，連俄勒岡州尤金市這樣的小城市都有機場，筆者的美國朋友把坐飛機往返于美國各城市之間戲稱“打空‘的”。美國也是一個海岸線比較長的國家，海嘯、龍卷風時有發生，所以美國的物理課堂從不回避這些離技術、生活很近的內容。對比而言，這些內容在我國高中物理教學中都是常識性介紹，甚至連介紹都可以不做，因為考試不會考到。

美國科學課堂對實驗的探究都給與充分的時間保證，舍得給學生充分的時間做實驗，指導學生處理數據。在美國的科學課堂上很少看到做習題，更多的是真實的實驗、測量、研究測出數據之間的關系。筆者參觀的一節物理課，是讓學生探究一下合力與分力的關系，一整節課學生都在全神貫注、有條不紊地用不同的實驗裝置做實驗，測量、畫圖、找規律，時而操作，時而托腮思考，時而看看其他小組同學的實驗，交換著動手做一做。除非學生邀請，教師一般不干擾學生的活動。經過一整節課對不同實驗器材支持下的力的合成規律的觀察與實驗，學生更多思考的是現實生活中哪里有力的合成，力的合成規律是否一樣。

美國的實驗教學靜靜闡釋了科學的存在、科學的本質和科學與科技、工程的表里相依，相應的也靜靜提升了學生的科學素養和工程、技術素養。

對比而言，我國目前中學階段的理化生學科教學，仍存在著所謂“高效課堂”的誤區，大容量、快節奏仍很受教師的追捧，學科教學淪落為習題教學的現象還相當普遍，上述現象則導致所傳授的理化生科學知識很大程度上是靠強化訓練支撐的“信息”類型的知識，而非根植于豐富表象、鮮活具體的科學現象和神奇的自然規律，造成虛假的“高效”。

2.美國工程技術教育在“STEM”教育集成中凸顯優勢

美國的中學都有專門的工程技術課，設備種類非常豐富，進了美國的工程技術教室，筆者和國內考察的同行，都誤認為參觀的是職業高中，直到在每所高中都看到工程技術教室，才感受到美國對工程技術教育的重視，感受到美國對培養學生工程技術素養的關注。

在美國的工程技術教室，可以看到廢舊的汽車從大到小的零部件，可以看到很多叫不上名字的各種機床，可以看到一些機電一體化的小型流水線和各種技術工具，如技術用卡尺等。高中工程教室中設備的豐富程度甚至超過我國工科大學的實驗室和實習車間。筆者還注意到，工程教室里呈現的機械帶有本土化的地域特征。比如，美國俄勒岡州在太平洋的西海岸，氣候溫暖潮濕，森林資源比較豐富，那里的工程教室里木工機械就更多一些，木工技術的教學也更普及，學生使用的滑板車有很多都是學生自己動手制作的；而在密歇根州，冬季氣候寒冷，工程教室就會出現廢舊的雪地摩托的結構部件。

美國從學校的工程教室到校外的博物館，所有觀賞類機械的零部件都去掉外殼，盡量裸露內芯，便于學生觀察研究。在密歇根州凱特琳大學（Kettering University）走廊里的一個小小的休息廳中，茶桌旁邊都擺放著一個機械，供學生茶余休息時賞研。

這所大學的學生四年中有一半的時間都在工廠帶薪實習，有上百家企業和這所大學合作教學，它的工業工程專業全美排名第一，機械工程專業全美排名第二。

帶著對美國工程教育的欽佩和好奇，筆者曾采訪美國牛津高中（Oxford High School）的工程老師，他是底特律大學工程學碩士，筆者問他K-12學段的工程教育給學生帶來的改變是什么？他回答說：工程教育為將來向工程方向發展的學生作更多的知識儲備、必要的能力準備，也給學生帶來了思維方式的改變——從注重結果到注重實現的過程。是啊，理論計算可以實現的過程，在現實中究竟怎樣做才能實現呢？他的這一番話頗耐人尋味。

比較而言，在我國的教育體制下，即使是大學理工科學生，大學期間理論課的學習都會大大強于實驗與實習，見到的實際機械較少，更不要說方便地進行研究了。至于中學階段的工程教育，恐怕更難擺脫應試教育的困擾，甚至只能在習題中做“紙上工程”了。

3.美國科學教育中的數學教育明顯薄弱，而在數學教育中融入科學非常突出

筆者在美國考察期間，感受到了各個學校展示“STEM”教育集成的想法，發現展示的重點都是科學教育中工程、技術教育的特色，科學教育中的數學教育明顯不足。

以物理教學為例。在美國的物理課堂，數學邏輯推演大大少于我國，對數學思想的點撥與明示也很少見，在物理課堂中感受不到數學是展現物理學理論最重要的語言，感受不到數學與物理學相互依存的關系。由所參觀的學校聯想到，全美k-12學段“STEM”教育中數學是怎樣集成進來的？集成的狀況又怎樣呢？帶著這個好奇，在中密歇根大學（Central Michigan University），筆者曾現場提問剛剛做完“STEM”教育講座的教授：在美國的STEM教育中，是如何體現數學融入的？教授回答：比如用公式、圖像表征物理規律，沒有說出更多。把數學僅僅作為物理概念規律表征的工具和計算的工具，那遠遠不是數學于物理學的意義所在，隨著對物理學的深入學習，數學的發展將與物理學的發展越來越緊密地聯系在一起。總的來看，美國科學教育中的數學教育明顯薄弱。

美國科學教育中數學教育的薄弱，與我國科學教育中工程、技術教育的薄弱相似，有著歷史的原因，都不是國家一提倡就立竿見影的，恐怕也要經歷一個轉變的過程。

但是，美國數學課上的科學教育卻做得“潤物無聲”，物理學給數學提供了大量的科學素材。筆者曾聽了一節指數函數的課，那位數學老師先從參觀團請出一位志愿者，用溫度傳感器測他的體溫，然后取出，電腦實時記錄溫度的變化，然后擬合成曲線，呈現出指數函數的規律。之后再對指數函數展開講解和練習，最后讓學生分組用教室中的微波爐加熱咖啡，取出后用溫度計定時測量并記錄咖啡溫度的變化，列表，繪制圖像，體會指數函數在生活中的存在。

筆者認為，不論是科學課中融入數學，還是在數學課中融入科學，都從不同的側面同樣體現數學與科學教育的集成思想。

在我國，考試文化仍然深刻影響著教育文化，習題教學替代科學教學的問題依然不同程度地存在，而物理習題中的數學推演、數學知識與方法的應用相當普遍，甚至會出現一道物理習題沒有重在體現物理，反倒更加依賴數學能力的現象。因為紙筆考試對邏輯推理能力的要求較高，必然導致物理教學中對數學的關注也相對較高。總體而言，我國科學教育中對數學的關注程度強于美國。

4.社區和自然界都是美國科學教育的教科書

在美國，博物館有效發揮著課外教育資源的作用。在俄勒岡州立大學的海洋研究中心，有很多的科學教育體驗設施，如模擬海嘯實驗設備、龍卷風的參與性互動實驗等。在底特律的汽車和工業博物館里，同樣有大型的機械設備和科學體驗設備，供學生觀察和實驗。這些博物館每周有兩天對學生免費開放，參觀博物館是K-12學段科學課的一種常見的上法。每個州還有全州共享的實驗室資源中心，這個州的所有中小學都可以免費借用這些實驗資源，享受實驗資源中心的教學指導服務，在那里學生可以親自體驗傳感器等技術在現代生活和技術上的前沿性應用。

此外美國“項目引路”機構（PLTW）推出的“STEM”課程，使學生以活動為基礎，以項目為目標，基于問題解決的學習，獲得實踐性的課堂體驗，被美國教育部部長鄧肯稱贊為“STEM”教育的卓越模式。這一課程學習的空間不僅僅局限在學校，根據項目的需要可以在動物園，可以在大學的研究中心，可以在學校附近的池塘。

而在我國，學生更多是在教科書里認識社區和自然界。可能出于安全等諸多顧慮，學生走出校門學科學的活動是非常少的，體驗科學在現代生活和前沿科技上的應用更少之又少。即使走出校門開展一些社會實踐活動，活動的目標模糊，對科學的學習和研究要求甚至可有可無，只要安全即可，科學教育的主陣地基本還局限在課堂，局限于習題分析。有研究表明，現在的高中生甚至看教科書的時間都越來越少了，取而代之的是看教輔書籍，是做習題集。

美國“STEM”教育對我國中小學科學教育的啟示

相對于美國“STEM”教育所表現出的優勢，顯然，我國的科學教育應該加大對科學本質教學的關注，加強科學與工程、技術綜合教學的有效、長效的實踐探索。

科學教育加大對科學本質的關注，需要完成幾個轉變：從為知識而教轉向為理解而教，從關注學生解題能力轉向關注學生對科學概念本質的理解，從關心學生考試分數轉向關心學生科學素養，從短期“高效”的教學模式轉向扎根的、長久的提高科學素養的教學模式。在這個問題上科學教師缺少的可能不是理念，而是面對短期外在評價的困擾靜靜堅守的教育信仰和探索的實踐行動。

就我國中小學科學教育的實施現狀而言，加強科學教育與工程、技術的綜合，應該是一個更為沉重的話題。需要喚起公眾的工程與科技意識，就像喚醒公眾的健康意識一樣，需要有明確的教育目標和評估機制，需要相應素質的教師，需要更多的政策和資金支持。但是，隨著社會對勞動力技能需求的提高，隨著國家科技強國、創新人才戰略的日漸深入民心，相信我國基礎教育的改革，必將應著21世紀全球科技競爭力的需要而推進，我國科學教育中的工程與技術教育也一定會扎實有效的開展起來。

編輯 江泓

參考文獻：

[1]趙中建.為了創新而教育[N].中國教育報2012-6-15（7）.

[2]楊曉波，馬永紅編譯. 改善所有美國學生的科學、技術、工程和數學教育———美國國家科學基金委給奧巴馬的一封信[J].世界教育信息，2010（10）：62-63.

[3]盧春. 美國“科學、技術、工程和數學”（STEM）高中述評[J].外國教育研究，2011（12）：12-16.

[4]A Framework for K-12 Science Education： Practices，Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]. The National Academies Press，2011：17-24.

[5]周一平.美國中學科學教育模式研究[J].湖南教育學院學報，1994（6）：85-89.